地面自动过分相电路及其控制方法、控制装置和控制系统与流程

本发明涉及自动过分相领域，具体地，涉及一种地面自动过分相电路及其控制方法、控制装置和控制系统。

背景技术：

我国的电气化铁路牵引变电所的一次侧一般为三相110kv或220kv，为平衡三相电压的负载功率，我国电气化铁路接触网采用单相25kv分段换相供电，相邻的不同电压相位的供电区段之间存在一段无电的分相区。

列车在驶入分相区前，根据地面埋装的位置传感器信号需进行一系列车上动作：牵引功率降为0、封锁四象限变流器、切断列车上的真空断路器、牵引逆变器切换为微电制中压保持工况等。上述动作目的有两个：1.牵引功率降为0、封锁四象限变流器可确保列车牵引系统不从接触网取流，此时牵引变压器原边电流为0，这样可以确保列车真空断路器切断时无冲击；2.牵引逆变器切换为微电制工况可以维持牵引系统中间直流电压恒定，辅助系统从中间直流环节正常取电不受影响，从而确保列车过分相区时辅助系统不断电。

安全、平稳、辅助系统不断电是列车过分相区的根本要求。近年来，随着高速铁路的蓬勃发展，许多地面自动过分相方案相继被提出。受限于功率半导体器件的限制，所提出的地面自动过分相方案多数都需要几十个多级半导体器件或模块串并联运行。此外，由于前后两段供电臂相位不一致，绝大多数地面自动过分相装置动作时会导致列车牵引系统过电流或过电压冲击。因此上述装置大都成本高昂、可靠性低，基本不具备铁路领域应用的可行性，无法保证列车快速、平稳地通过分相区。

技术实现要素：

本发明实施例的主要目的在于提供一种地面自动过分相电路及其控制方法、控制装置和控制系统，以令列车快速、平稳地通过分相区；且本发明结构简单、成本低，可靠性高，具备铁路领域应用的可行性。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种地面自动过分相电路，分别与第一供电臂和中性区供电臂连接，包括：第一变压器、电流传感器、交流/直流变流器、电压传感器、直流/交流变流器和第二变压器；

第一变压器的高压绕组与第一供电臂连接，用于对第一供电臂的电压进行电压变比，得到第一交流侧电压；

交流/直流变流器的第一端与第一变压器的低压绕组连接，用于将第一交流侧电压转换为直流侧电压；

电流传感器分别与交流/直流变流器的第一端和第一变压器的低压绕组连接，用于测量交流侧电流；

直流/交流变流器的第二端与交流/直流变流器的第二端连接，用于将直流侧电压转换为第二交流侧电压；

电压传感器的两端均与直流/交流变流器的第二端和交流/直流变流器的第二端连接，用于测量直流侧电压；

第二变压器的低压绕组与直流/交流变流器的第一端连接，第二变压器的高压绕组与中性区供电臂连接，用于对第二交流侧电压进行电压变比，得到中性区供电臂的电压；

交流/直流变流器和直流/交流变流器均为包括4个开关器件的h桥。

本发明实施例还提供一种地面自动过分相电路的控制方法，包括：

获取交流侧电流；

判断交流侧电流是否小于或等于第一预设电流阈值；

当交流侧电流小于或等于第一预设电流阈值时，控制直流/交流变流器以开环控制的方式将中性区供电臂的电压调整至与第一供电臂的电压相同；

当交流侧电流大于第一预设电流阈值时，控制直流/交流变流器在预设时间内以开环控制的方式令中性区供电臂的电压由第一供电臂的电压调整至与第二供电臂的电压相同；预设时间为无电区的长度与列车速度的商。

本发明实施例还提供一种地面自动过分相电路的控制装置，包括：

交流侧电流获取单元，用于获取交流侧电流；

第一判断单元，用于判断交流侧电流是否小于或等于第一预设电流阈值；

第一控制单元，用于控制直流/交流变流器以开环控制的方式将中性区供电臂的电压调整至与第一供电臂的电压相同；

第二控制单元，用于控制直流/交流变流器在预设时间内以开环控制的方式令中性区供电臂的电压由第一供电臂的电压调整至与第二供电臂的电压相同。

本发明实施例还提供一种地面自动过分相电路的控制系统，包括；

如上所述的地面自动过分相电路；

如上所述的地面自动过分相电路的控制装置；

地面自动过分相电路的控制装置分别与地面自动过分相电路中的电流传感器、交流/直流变流器、电压传感器、直流/交流变流器、过压保护装置、第一真空断路器和第二真空断路器连接。

本发明实施例的地面自动过分相电路及其控制方法、控制装置和控制系统可以令列车快速、平稳地通过分相区；且本发明结构简单、成本低，可靠性高，具备铁路领域应用的可行性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例中地面自动过分相电路的示意图；

图2是本发明第二实施例中地面自动过分相电路的示意图；

图3是本发明第三实施例中地面自动过分相电路的示意图；

图4是本发明第四实施例中地面自动过分相电路的示意图；

图5是本发明实施例中地面自动过分相电路的控制方法的流程图；

图6是本发明第一实施例中地面自动过分相电路的控制装置的结构框图；

图7是本发明第二实施例中地面自动过分相电路的控制装置的结构框图；

图8是本发明实施例中地面自动过分相电路的控制系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。

鉴于目前现有技术成本高昂、可靠性低，基本不具备铁路领域应用的可行性，无法保证列车快速、平稳地通过分相区，本发明实施例提供一种地面自动过分相电路，结构简单、成本低，可靠性高，具备铁路领域应用的可行性，可以令列车快速、平稳地通过分相区。以下结合附图对本发明进行详细说明。

图1是本发明第一实施例中地面自动过分相电路的示意图。如图1所示，地面自动过分相电路分别与第一供电臂1和中性区供电臂2连接，包括：第一变压器4、电流传感器7、交流/直流变流器6、电压传感器9、直流/交流变流器14和第二变压器5；图1中还包括第二供电臂3。列车通过中性区供电臂2，从第一供电臂1过渡到第二供电臂3。

第一变压器4的高压绕组(图1中第一变压器4的h)与第一供电臂1连接，用于对第一供电臂1的电压进行电压变比，得到第一交流侧电压；

交流/直流变流器6的第一端与第一变压器4的低压绕组(图1中第一变压器4的l)连接，用于将第一交流侧电压转换为直流侧电压；其中，交流/直流变流器6采用双闭环控制策略，通过获取电流传感器7测量的交流侧电流和电压传感器9测量的直流侧电压，控制交流侧的功率因数为1，控制直流侧电压恒定。

电流传感器7分别与交流/直流变流器6的第一端和第一变压器4的低压绕组连接，用于测量交流侧电流；

直流/交流变流器14的第二端与交流/直流变流器6的第二端连接，用于将直流侧电压转换为第二交流侧电压；其中，直流/交流变流器14采用开环控制。

电压传感器9的两端均与直流/交流变流器14的第二端和交流/直流变流器6的第二端连接，用于测量直流侧电压；如图1所示，电压传感器9与直流/交流变流器14和交流/直流变流器6并联。

第二变压器5的低压绕组(图1中第二变压器5的l)与直流/交流变流器14的第一端连接，第二变压器的高压绕组(图1中第二变压器5的h)与中性区供电臂2连接，用于对第二交流侧电压进行电压变比，得到中性区供电臂2的电压；

交流/直流变流器6和直流/交流变流器14均为包括4个开关器件的h桥(图1中未示)。

其中，第一变压器4和第二变压器5的高压绕组的电压均为25kv，第一变压器4和第二变压器5的低压绕组的电压与列车上的四象限变流器的交流侧电压相当。

图2是本发明第二实施例中地面自动过分相电路的示意图。如图2所示，地面自动过分相电路还包括：过压保护装置8；过压保护装置与电压传感器9并联。

图3是本发明第三实施例中地面自动过分相电路的示意图。如图3所示，地面自动过分相电路还包括：第一真空断路器10和第二真空断路器11；

第一真空断路器10的一端连接第一供电臂1，第一真空断路器10的另一端连接第一变压器4的高压绕组；

第二真空断路器11的一端连接中性区供电臂2，第一真空断路器11的另一端连接第二变压器5的高压绕组。

图4是本发明第四实施例中地面自动过分相电路的示意图。如图4所示，地面自动过分相电路还包括：第一熔断器12和第二熔断器13；

第一熔断器12的一端连接第一供电臂1，第一熔断器12的另一端连接第一真空断路器10；

第二熔断器13的一端连接中性区供电臂2，第二熔断器13的另一端连接第二真空断路器11。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种地面自动过分相电路的控制方法。图5是本发明实施例中地面自动过分相电路的控制方法的流程图。如图5所示，地面自动过分相电路的控制方法包括：

s101：获取交流侧电流。

s102：判断交流侧电流是否小于或等于第一预设电流阈值。

s103：当交流侧电流小于或等于第一预设电流阈值时，控制直流/交流变流器以开环控制的方式将中性区供电臂的电压调整至与第一供电臂的电压相同。

s104：当交流侧电流大于第一预设电流阈值时，控制直流/交流变流器在预设时间内以开环控制的方式令中性区供电臂的电压由第一供电臂的电压调整至与第二供电臂的电压相同。

其中，预设时间为无电区的长度与列车速度的商。

具体地，在列车位于第一供电臂1，未驶入中性区供电臂2时，直流/交流变流器14输出的第二交流侧电压在经过第二变压器5变比之后，与第一供电臂1的交流电压相同。当列车从第一供电臂1驶入中性区供电臂2时，电流传感器7检测得到的交流侧电流增大，此时控制直流/交流变流器14的开关器件的周期，输出第二交流侧电压，该第二交流侧电压经过第二变压器5变比之后与第二供电臂3的交流电压相同；当列车从中性区供电臂2驶入第二供电臂3时，电流传感器7检测得到的交流侧电流减小，此时控制直流/交流变流器14的开关器件的周期，输出第二交流侧电压，该第二交流侧电压经过第二变压器5变比之后与第一供电臂1的交流电压相同。

图5所示的地面自动过分相电路的控制方法的执行主体可以为计算机。由图5所示的流程可知，本发明实施例的地面自动过分相电路的控制方法先获取交流侧电流，再判断交流侧电流是否小于或等于第一预设电流阈值；当交流侧电流小于或等于第一预设电流阈值时，控制直流/交流变流器以开环控制的方式将中性区供电臂的电压调整至与第一供电臂的电压相同；当交流侧电流大于第一预设电流阈值时，控制直流/交流变流器在预设时间内以开环控制的方式令中性区供电臂的电压由第一供电臂的电压调整至与第二供电臂的电压相同，具备铁路领域应用的可行性，可以令列车快速、平稳地通过分相区。

一实施例中，还包括：

获取直流侧电压；

判断直流侧电压是否大于第一预设电压阈值；

当直流侧电压大于第一预设电压阈值时，闭合过压保护装置。

一实施例中，还包括：

判断交流侧电流是否大于第二预设电流阈值；

判断直流侧电压是否小于第二预设电压阈值；

当交流侧电流大于第二预设电流阈值，或直流侧电压小于第二预设电压阈值时，断开第一真空断路器和第二真空断路器。

综上，本发明实施例的地面自动过分相电路的控制方法先获取交流侧电流，再判断交流侧电流是否小于或等于第一预设电流阈值；当交流侧电流小于或等于第一预设电流阈值时，控制直流/交流变流器以开环控制的方式将中性区供电臂的电压调整至与第一供电臂的电压相同；当交流侧电流大于第一预设电流阈值时，控制直流/交流变流器在预设时间内以开环控制的方式令中性区供电臂的电压由第一供电臂的电压调整至与第二供电臂的电压相同，具备铁路领域应用的可行性，可以令列车快速、平稳地通过分相区。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种地面自动过分相电路的控制装置，由于该装置解决问题的原理与地面自动过分相电路的控制方法相似，因此该装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图6是本发明第一实施例中地面自动过分相电路的控制装置的结构框图。如图6所示，地面自动过分相电路的控制装置包括：

交流侧电流获取单元，用于获取交流侧电流；

第一判断单元，用于判断交流侧电流是否小于或等于第一预设电流阈值；

第一控制单元，用于控制直流/交流变流器以开环控制的方式将中性区供电臂的电压调整至与第一供电臂的电压相同；

第二控制单元，用于控制直流/交流变流器在预设时间内以开环控制的方式令中性区供电臂的电压由第一供电臂的电压调整至与第二供电臂的电压相同。

在其中一种实施例中，还包括：

直流侧电压获取单元，用于获取直流侧电压；

第二判断单元，用于判断直流侧电压是否大于第一预设电压阈值；

过压保护装置闭合单元，用于闭合过压保护装置。

图7是本发明第二实施例中地面自动过分相电路的控制装置的结构框图。如图7所示，地面自动过分相电路的控制装置还包括；

第三判断单元，用于判断交流侧电流是否大于第二预设电流阈值；

第四判断单元，用于判断直流侧电压是否小于第二预设电压阈值；

断开单元，用于断开第一真空断路器和第二真空断路器。

综上，本发明实施例的地面自动过分相电路的控制装置先获取交流侧电流，再判断交流侧电流是否小于或等于第一预设电流阈值；当交流侧电流小于或等于第一预设电流阈值时，控制直流/交流变流器以开环控制的方式将中性区供电臂的电压调整至与第一供电臂的电压相同；当交流侧电流大于第一预设电流阈值时，控制控制直流/交流变流器在预设时间内以开环控制的方式令中性区供电臂的电压由第一供电臂的电压调整至与第二供电臂的电压相同，具备铁路领域应用的可行性，可以令列车快速、平稳地通过分相区。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种地面自动过分相电路的控制系统，由于该系统解决问题的原理与地面自动过分相电路的控制方法相似，因此该系统的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。

图8是本发明实施例中地面自动过分相电路的控制系统的示意图。如图8所示，地面自动过分相电路的控制系统包括；

如上所述的地面自动过分相电路；

如上所述的地面自动过分相电路的控制装置；

地面自动过分相电路的控制装置15分别与地面自动过分相电路中的电流传感器7、交流/直流变流器6、电压传感器9、直流/交流变流器14、过压保护装置8、第一真空断路器10和第二真空断路器11连接。

本发明实施例的地面自动过分相电路的控制系统的具体工作过程如下：

1、列车未驶入地面位置a，地面自动过分相电路的控制装置控制第一真空断路器10和第二真空断路器11处于闭合状态。如果交流侧电流大于第二预设电流阈值，或直流侧电压小于第二预设电压阈值时，则断开第一真空断路器10和第二真空断路器11。此时，地面自动过分相电路的控制装置15控制交流/直流变流器6工作于双闭环控制工况，维持交流/直流变流器6的交流侧的功率因数为1，维持交流/直流变流器6的直流侧电压稳定。地面自动过分相电路的控制装置15还控制直流/交流变流器14工作于开环控制工况，此时交流侧电流信号小于或等于预设电流阈值，地面自动过分相电路的控制装置通过控制直流/交流变流器14输出的交流电压以维持中性区供电臂2的电压与第一供电臂1的电压一致。

2、列车驶入地面位置a，列车上的牵引控制系统接收到地面位置a的信号，此时列车上的牵引控制系统封锁列车上的牵引逆变器，将牵引级位归零，无需切断列车上的真空断路器，无需将列车上的牵引逆变器切换为微电制工况，无需切断列车上的四象限变流器，列车上的辅助系统可以正常工作，不受影响。

3、列车驶入地面位置b，列车上的牵引控制系统接收到地面位置b的信号，此时列车上的牵引控制系统判断是否已封锁牵引逆变器，如未完成则直接切断列车上的真空断路器。

4、列车驶入中性区供电臂2，电流传感器7检测得到的交流侧电流增大，交流侧电流大于第一预设电流阈值，此时地面自动过分相电路的控制装置15控制直流/交流变流器14输出第二交流侧电压，该第二交流侧电压经过第二变压器5变比之后与第二供电臂3的交流电压相同。在此过程中，通过控制直流/交流变流器14的4个开关管的开闭周期调整中性区供电臂2的电压，令中性区供电臂2的电压由与第一供电臂1的电压相同，逐步过渡到与第二供电臂3的电压相同。

5、列车从中性区供电臂2驶入第二供电臂3，电流传感器7检测得到的交流侧电流减小，交流侧电流信号小于或等于预设电流阈值，此时地面自动过分相电路的控制装置15控制直流/交流变流器14输出第二交流侧电压，该第二交流侧电压经过第二变压器5变比之后与第一供电臂1的交流电压相同。在此过程中，通过控制直流/交流变流器14的4个开关管的开闭周期调整中性区供电臂2的电压，令中性区供电臂2的电压由与第二供电臂3的电压相同，逐步调整到与第一供电臂1的电压相同。

6、列车驶入地面位置c，列车上的牵引控制系统接收到地面位置c的信号，此时列车牵引控制系统重新投入牵引逆变器，恢复过分相区前正常运行工况。

综上，本发明实施例的地面自动过分相电路的控制系统可以令列车快速、平稳地通过分相区；且本发明结构简单、成本低，可靠性高，具备铁路领域应用的可行性。

本发明实施例提供的地面自动过分相电路及其控制方法、控制装置和控制系统具有以下有益效果：

1、本发明的地面自动过分相电路的控制装置可以监测到列车驶入中性区供电臂，控制直流/交流变流器，使中性区供电臂的电压由与第一供电臂的电压相同，逐步过渡到与第二供电臂的电压相同。列车驶入过分相区之前，列车上的牵引控制系统封锁列车上的牵引逆变器，将牵引级位归零，无需切断列车上的真空断路器，无需将列车上的牵引逆变器切换为微电制工况，无需切断列车上的四象限变流器，列车上的辅助系统可以正常工作，不受影响。

2、与现有技术相比，本发明的成本低、技术成熟，具备铁路领域应用的可行性。第一变压器和第二变压器的低压绕组的电压与列车上的四象限变流器的交流侧电压相当，工业应用成熟。

3、与现有技术相比，本发明可降低列车过分相区时的速度损失。现有技术在列车驶入分相区时，列车上的牵引系统需调整为微电制中压保持工况，然后再生制动以确保辅助系统不断电，会造成列车速度损失。本发明可确保中性区供电臂满足列车辅助系统功率需求，无需将列车上的牵引系统切换为微电制中压保持工况。

4、与现有技术相比，本发明可提高列车过分相区时可靠性。传统地，列车上的牵引控制系统在接收到地面位置的信号后，需切断列车上的真空断路器。在第一供电臂跨入中性区供电臂时，由于两者电压不一致，会导致受电弓产生放电拉弧现象。本发明在列车驶入中性区供电臂前使中性区供电臂与第一供电臂电压一致，在列车驶出中性区供电臂后使中性区供电臂与第二供电臂电压一致，因此受电弓在第一供电臂跨入中性区供电臂，以及中性区供电臂跨入第二供电臂时均不会产生放电拉弧现象，提高了列车过分相时可靠性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。